Präziseste Bestimmung der W-Boson-Masse

  • 06. March 2012

Die Messungen am Fermilab grenzen indirekt auch die Masse des Higgs-Bosons ein.

Nach mehrjähriger Arbeit ist den beiden Kollaborationen CDF und DZero am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab bei Chicago die bislang präziseste Bestimmung der Masse des W-Bosons gelungen. Das W-Boson – ein Träger der schwachen Wechselwirkung nach dem Standardmodell der Teilchenphysik – ist einer der fundamentalen Bausteine der Natur. Aus Präzisionsmessungen verschieden schwerer fundamentaler Bausteine lässt sich auch die Masse des Higgs-Bosons eingrenzen, das allen Teilchen Masse verleihen soll.

Abb.: Masse des W-Bosons mit Fehlern, gemessen von unterschiedlichen Kollaborationen (Bild: Fermilab)

Abb.: Masse des W-Bosons mit Fehlern, gemessen von unterschiedlichen Kollaborationen. (Bild: Fermilab)

Die Physiker Ashutosh Kotwal von der Duke University in Durham (USA) und Jan Stark vom Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie in Grenoble (Frankreich) präsentierten in den letzten zwei Wochen in Seminaren am Fermilab die neuen Ergebnisse. Die Messungen ergaben beim CDF-Detektor eine W-Boson-Masse von 80.387 ± 19 MeV/c2, beim DZero-Detektor 80.375 ± 23 MeV/c2. Zur Präzisionsbestimmung der W-Boson-Masse wurden diese Werte mit Messungen aus den letzten fünf Jahren kombiniert. Die Wissenschaftler konnten so den Fehler bei der Massenbestimmung auf 0,02 Prozent verringern und damit um die Hälfte verringern. Die Masse des W-Bosons wird jetzt vom Fermilab mit 80387 ± 17 MeV/c2 angegeben. Aus dem Vergleich weltweit an unterschiedlichen Beschleunigern ermittelter Daten folgt ein Wert von 80.385 ± 15 MeV/c2, was ungefähr der 85-fachen Protonmasse entspricht.

Gemeinsam mit den jüngsten Fermilab-Präzisionsmessungen der Masse des Top-Quarks, eines weiteren fundamentalen Bausteins des Standardmodells, lässt sich nun auch der Massenbereich des Higgs-Bosons indirekt weiter einschränken. Aus den neuen Werten folgt eine Higgs-Boson-Masse von höchstens 152 GeV/c2. Dies ist in Einklang mit Werten aus direkten Massebestimmungen am Fermilab, welche eine Higgs-Masse zwischen 147 und 179 GeV/c2 ausschließen, und Messungen am LHC in Genf, die auf eine Higgs-Masse unterhalb von 127 GeV/c2 hinweisen. Jüngste Analysen der Fermilab-Daten weisen auf einen Massebereich zwischen 115 und 135 GeV/c2 hin; die statistische Signifikanz dieser Analyse beträgt allerdings nur 2,2 Sigma (Update/Ergänzung, 7.3.2012).

Mit den erwarteten Ankündigungen zum Higgs-Boson am Cern wird sich der Schwerpunkt der Aufmerksamkeit in der Teilchenphysik zwar stärker nach Europa wenden. Wie der DZero-Sprecher Dmitri Denisov sagt, wird aber die Bestimmung der W-Boson-Masse eines der „großen wissenschaftlichen Vermächtnisse“ des Tevatron-Teilchenbeschleunigers sein, an dem die CDF- und DZero-Kollaborationen arbeiten. Bisherige wissenschaftliche Meilensteine des Tevatrons bestehen nicht nur in der Entdeckung des Top-Quarks, sondern auch in der Bestimmung der B-Meson-Mischung, die auf grundlegende Symmetriebrechungen im Standardmodell hinweist.

Dirk Eidemüller

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